Altes Physikskript

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Physikalische Grundlagen für den DLR-Test
© G. Gebel 2001
Kraft, Arbeit, Energie
x
x
x
x
x
Bei einer gleichförmigen Bewegung ist der Quotient aus Wegabschnitt 's und Zeitspanne 't
konstant. Dieser Quotient ist die Geschwindigkeit v: 's / 't = v
Bei einer gleichmäßigen Beschleunigung ist der Quotient aus Geschwindigkeitszunahme 'v
und Zeitspanne 't konstant. Das ist die Beschleunigung a: 'v / 't = a
Bei einer beschleunigten Bewegung gilt für die pro Zeit t zurückgelegte Strecke s: s = ½ a · t2
Kraft F: Ursache dafür, dass ein Körper seinen Bewegungszustand ändert (Einheit Newton)
o Jeder Körper, der auf einen anderen Körper eine Kraft ausübt, erfährt auch von diesem
Körper eine Kraft. Auf jeden der beiden Körper wirkt also eine Kraft. Die beiden
Kräfte sind gleich groß und entgegengesetzt gerichtet.
o Ein Körper übt mit seinem Gewicht immer eine Kraft Richtung Erde aus (FG). Sie läßt
sich wie folgt berechnen: FG = m · g (m = Masse, g: Ortsfaktor, Erde: ‡ 9,81N / kg =
9,81m / s2 [Erdbeschleunigung]).
o Aufgrund der durch die Erdrotation verursachten Zentrifugalkraft sind g und damit
sämtliche Massen in großer Höhe bzw. am Äquator geringfügig geringer, als in
Meereshöhe bzw. an den Polen.
Drehmoment M: Produkt aus Kraftbetrag F und Hebelarm a: M = F · a (Einheit Nm)
o An einem Hebel herrscht Gleichgewicht, wenn die Summe aller rechtsdrehenden
Drehmomente gleich der Summe aller linksdrehenden Drehmomente ist
o
F1 · a1 = M = F2 · a2
Jeder Körper verhält sich so, als würde die ganze Gewichtskraft in einem Punkt
angreifen
o Diesen Punkt nennt man Schwerpunkt
Impuls p: Produkt aus Masse m und Geschwindigkeit v: p = m · v (Einheit kg · [m / s])
o Stößt eine Kugel der Masse m1 mit der Geschwindigkeit v1 (p1 = m1 · v1) auf eine
zweite Kugel mit der Masse m2, übernimmt diese den Impuls der ersten. Der Impuls
bleibt in seiner Größe erhalten, denn p1 = p2. Die erste Kugel bleibt stehen, die zweite
bewegt sich nun, aber mit veränderter Geschwindigkeit aufgrund ihrer anderen Masse
(p2 = m2 · v2).
Maschinen:
o Mit einem Seil oder einer Stange kann man den Angriffspunkt einer Kraft verändern
o Kraftbetrag bleibt dabei gleich: F1 = F2
o
o
x
x
o
o
o
Bei einem Flaschenzug sind mehrere Rollen in zwei Gruppen zusammengebaut
Die Gewichtskraft F1 wird auf mehrere Seilstücke verteilt
Wenn n die Anzahl Seilstücke ist, gilt für die Zugkraft F2 = F1 / n
1
o
Damit eine Last um die Strecke s1 angehoben wird, muß man am Seilende n-mal so
weit ziehen: s2 = n · s1
o
F2 = F1 / n
(n ist hier 4)
s2 = n · s1
o Arbeit W: Produkt von Kraftkomponente F und Weg s (Einheit Joule = Nm)
o W=F·s
o Es gibt Hubarbeit, Verformungsarbeit, Spannarbeit, Beschleunigungsarbeit,
Reibungsarbeit
x Goldene Regel der Mechanik: Kräfte kann man mit Maschinen einsparen. Dafür ist der Weg,
den man zurücklegt, länger. Das Produkt aus Kraft und Weg (Arbeit) bleibt konstant.
x Leistung P: Quotient aus Arbeit W und Zeit t (Einheit Watt)
o In einer best. Zeit verrichtete Arbeit
o P=W/t
x Energie:
o Arbeit ist Energieumwandlug
o Sie wird beim Arbeiten nur übertragen
o Es verschwindet keine Energie und es kommt keine hinzu
o Es gibt Bewegungsenergie, Lageenergie, Wärmeenergie
o Bei einer Bewegung eines Körpers besitzt dieser kinetische Energie:
Ekin = ½ m · v2 (Einheit Joule = Nm)
o Bei einer bestimmten Lage (Höhe) eines Körpers besitzt dieser Lageenergie:
Epot = m · g · h (h: Höhe) (Einheit Joule = Nm)
x Fadenpendel:
o Die Schwingungsdauer T und die Elongation eines Fadenpendels sind vom Gewicht
des angehängten Körpers unabhängig. Sie wächst aber mit der Länge l des Fadens
nach dem Gesetz: T = 2S · — (l / g) Æ T ~ — l
o
l
Druck: Hydraulik
o
o
Übt man auf eine eingeschlossene Flüssigkeit eine Kraft aus entsteht Druck (p) (Einheiten bar
& Pascal).
Der Druck wirkt in alle Richtungen auf das die Flüssigkeit einschließende Gefäß, sowie in der
Flüssigkeit befindliche Objekte
2
3
4
5
Dieser Effekt wird nur beim Spektrum so
deutlich, weil der Einfallswinkel zum Lot
sehr groß ist und eine zweifache Brechung
stattfindet.
Ein Regenbogen entsteht, wenn Sonnenlicht auf eine Regenfront scheint. Das
gemischte, weiße Licht wird in den Regentropfen einmal gebrochen und
reflektiert. Ein Regenbogen ist nach den Spektrallinien aufgeteilt: am Außenrand
des Kreises liegt rot, am Innenrand blauviolett.
Bei der Konvexlinse/Sammellinse wird die Brechung des Lichtes dazu benutzt, um
Gegenstände größer erscheinen zu lassen. Ein einfallender Lichtstrahl wird zweimal
gebrochen:
o
x
Brennpunkt F
x
Gegenstandsweite g
o
xF
Liegt das Objekt genau im Abstand f zur Linse, entsteht kein Bild:
Fx
o
scharfes Bild bei Bildweite b
Ein Bild kann man sich aus einzelnen Punkten zusammengesetzt vorstellen. Von
jedem Punkt des Objektes gehen gestreute Lichtreflexionen aus, die von der Linse
zu einem Punkt auf der anderen Seite zusammengelenkt werden. Blickt man im
Abstand b durch die Linse, sieht man das Objekt vergrößert und auf dem Kopf.
Fx
o
Brennweite f
Je stärker, dicker eine
Linse ist, desto kürzer
ist die Brennweite, da
das Licht stärker
gebrochen wird.
xF
Liegt das Objekt zwischen F und Linse, entsteht ein vergrößertes, virtuelles Bild:
Fx
xF
Blick
6
x
Bei der Konkavlinse/Streulinse wird die Brechung des Lichtes dazu benutzt, um
Gegenstände kleiner erscheinen zu lassen. Ein einfallender Lichtstrahl wird zweimal
gebrochen:
Fx
x
Blick
Anders als bei des Sammellinse steht das Bild
immer richtig herum. Blickt man durch die
Linse, sieht man das Objekt verkleinert.
Ein normales Fernrohr besitzt im Okular und im Objektiv Sammellinsen. Das Bild steht
auf dem Kopf:
xF
Im Okular sitzt eine dicke Linse mit kurzer Brennweite, im Objektiv eine dünne
mit großer Brennweite
o Ein Mikroskop ist ähnlich aufgebaut, nur mit vertauschter Linsenanordnung
Sehstörungen wie Kurz- und Weitsichtigkeit lassen sich mit Linsen korrigieren.
o Bei Normalsichtigen befindet sich der Brennpunkt der Sehlinse im mittleren
Bereich des Auges. Seine Position wird durch die flexible Sehlinse gesteuert. Ein
genaues virtuelles Bild entsteht auf der Netzhaut im Abstand b.
o Kurzsichtige haben ein zu langes Auge. Die Ebene b liegt vor der Netzhaut. Das
Bild ist unscharf. Die Korrektur erfolgt mit einer Streulinse.
o Weitsichtige haben ein zu kurzes Auge. Die Ebene b läge hinter der Netzhaut. Das
Bild ist unscharf. Die Korrektur erfolgt mit einer Sammellinse.
o
o
x
Elektrik
x
x
x
x
x
Wenn Elektrizität durch einen Draht fließt, wird dieser erwärmt
Aus einem glühenden Draht treten Elektronen aus
Wenn Elektrizität durch eine Spule fließt, wird die Spule zum Magneten
Stromstärke I : Ladung Q, die in einer Zeit t durch einen elektrischen Leiter fließt:
I = Q / t (Einheit Ampere)
Spannung U: Potentialdifferenz zwischen den beiden Polen eines Stromkreises. Sie gibt an,
welche Arbeit nötig ist, um die Elektronen im Stromkreis von einem Punkt zum nächsten zu
verschieben (Einheit Volt)
o U ist definiert als Quotient aus der Leistung P der Quelle die zum Antreiben der
Elektrizität nötig ist, und der Stromstärke I: U = P / I = W / Q
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x
x
Widerstand R: Quotient aus Spannung U und Stromstärke I (Einheit Ohm): R = U / I
o Ohmsches Gesetz: I ~ U
Verhältnis zwischen R,U & I bei der Reihenschaltung:
o
U
Da bei der Reihenschaltung alle Widerstände zusammen zu einem unverzweigten
Stromkreis gehören, fließt durch alle der gleiche Strom. Man mißt überall die gleiche
Stromstärke:
I = I1= I2 = I3 = …
o Die Spannung der Quelle verteilt sich auf die einzelnen Widerstände. Die Summe der
Teilspannungen ist genauso groß wie die Spannung der Quelle:
U = U1 + U2 + U3 + …
o In Reihe geschaltete Widerstände hemmen die Bewegung der Elektronen wie ein
einziger Ersatzwiderstand, der genauso groß ist wie die Summe der Teilwiderstände:
R = R1 + R2 + R3 + ...
Verhältnis zwischen R,U & I bei Parallelschaltung:
o
o
x
U
Bei der Parallelschaltung ist der Gesamtstrom durch die Spannungsquelle genauso
groß wie die Summe der Teilströme durch die einzelnen Widerstände:
I = I1 + I2 + I3 + …
o Weil jeder Widerstand unmittelbar mit der Spannungsquelle verbunden ist, misst man
an jedem Widerstand die gleiche Spannung wie an der Quelle:
U = U1 = U2 = U3 = ...
o Ein einzelner Widerstand, der mehrere parallelgeschaltete Widerstände ersetzt muß
kleiner sein als jeder der Teilwiderstände. Für den Ersatzwiderstand gilt:
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...
Leistung P: Die Leistung von Elektrogeräten (Einheit Watt) kann man als Produkt aus
Spannung und Stromstärke berechnen: U = P/I Æ P = U * I
In einem Magnetfeld wirkt auf bewegte Ladungsträger eine Kraft senkrecht zur
Bewegungsrichtung und senkrecht zur Richtung des Feldes
o Diese Kraft heißt Lorentzkraft
o
o
x
x
Richtung des Magnetfeldes (NÆS)
Richtung eines Elektronenstrahls
Richtung der Kraft
o
o
Mit der Lorentzkraft kann in Leitern durch eine relative Bewegung zum Magnetfeld
ein Strom induziert werden
Wenn sich die Stärke eines Magnetfeldes im Inneren einer Spule/Leiterschleife ändert,
entsteht eine Spannung zwischen den Anschlüssen der Spule (Induktion)
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Bei einem Generator wird eine Spule innerhalb eines konstanten Magnetfeldes
gedreht. Er erzeugt durch die resultierende Induktion Spannung. Beim Antrieb des
Generators muß Arbeit verrichtet werden. Die dadurch zugeführte Energie wird in
elektrische Energie umgewandelt.
o Der Induktionsstrom ist stets so gerichtet, dass sein Magnetfeld der Induktionsursache
entgegenwirkt (Lenz’sche Regel), daher wirkt eine Spule wie ein Widerstand, die
Widerstandswirkung ist beim Einschalten am größten
Mit einem Transformator können ohne Energieverlust Spannung und Stromstärke verändert
werden
o Er funktioniert nach dem Prinzip der Induktion und muß daher mit Wechselstrom
betrieben werden
o Er besteht aus zwei Spulen, die durch einen geschlossenen Eisenkern miteinander
verbunden sind:
Primärseite
Sekundärseite
o
x
~ U1
N1
N2
Feldspule
Induktionsspule
U2 ~
Zwischen den Anschlüssen der Induktionsspule wird die Sekundärspannung U2
erzeugt. Sie hängt von U1 an der Primärspule und den Windungszahlen beider Spulen
ab. Ist an die Induktionsspule kein Verbraucher angeschlossen, gilt: U1 / U2 = N1 / N2.
o Ist am Trafo ein Gerät/Verbraucher angeschlossen, wird Energie verbraucht, der
Primärstrom I1 nimmt zu. Um wie viel hängt von I2 und den Windungszahlen ab. Der
Sekundärstrom bestimmt den Primärstrom, bei belastetem Trafo gilt: I2 / I1 = N1 / N2.
U1 · N2 = U2 · N1;
I2 · N2 = I1 · N1
o Zusammenfassung: U1 · I1 = U2 · I2;
o Im Kraftwerk wird mit den Generatoren Wechselstrom erzeugt. Mittels Trafos wird
dieser für den Haushaltsgebrauch auf 220V gesenkt. Der Wechselstrom hat eine
Frequenz von 50 Hertz.
Energieübertragung mit Hochspannung:
o Wenn ein Strom I durch einen Leiter mit dem Widerstand R fließt, wird in diesem
Energie umgewandelt und als wärme abgegeben
o Die Verlustleistung ändert sich mit dem Quadrat der Stromstärke: Pv = R · I2
o Um bei der Übertragung elektrischer Energie die Verluste gering zu halten, sorgt man
für möglichst kleine Ströme, indem man die Spannung erhöht
Dioden und Kondensatoren wirken als Gleichrichter, da sie nur in einer Richtung leiten
Ein Kondensator besteht aus zwei Leitern, die durch einen Isolator getrennt sind (z.B. Glas,
Luft, Kunststoff)
o
o
x
x
x
Plattenkondensator
Verbindet man die Leiter mit den Anschlüssen einer Quelle, wird der Kondensator
geladen, da beide Leiter entgegengesetzte Ladungen der gleichen Größe erhalten
o Ein geladener Kondensator kann als Energiequelle mit begrenzter Kapazität dienen
o Beim Entladen zählt nur die Größe einer der beiden Ladungen, da sie einander
neutralisieren
o Kapazität C: Quotient aus gespeicherter Ladung Q (hängt u.a. von der Fläche der
Platten ab) und zum Laden verwendeter Spannung U der Quelle (Einheit Farad):
C = Q / U = (I · t) / U
o
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Befindet sich ein Kondensator in einem Wechselstromkreis, wird er periodisch mit
wechselnder Polarität be- und entladen. Damit am Kondensator eine Spannung
entsteht, ist zunächst ein Ladestrom erforderlich, der mit wachsender Ladung
abnimmt.
ƒ Die Effektivwerte (Werte für U und I, die die gleiche Wirkung wie ein ebenso
großer Gleichstrom hervorrufen) von U und I sind zueinander proportional
und ergeben den kapazitiven Widerstand des Kondensators RC:
Ueff / Ieff = RC = 1 / (2S · fWS · C).
ƒ Die obenstehende Formel enthält die Größe 1/C. Daher wird RC mit steigender
Kapazität (z.B. mittels Plattenvergrößerung) kleiner.
ƒ Schaltet man mehrere Kondensatoren in Reihe, gilt für die Gesamtkapazität:
1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ... (für U und I gilt dasselbe wie bei Widerständen
in Reihe)
ƒ Schaltet man mehrere Kondensatoren parallel, gilt für die Gesamtkapazität:
C = C1 + C2 + C3 + ... (für U und I gilt dasselbe wie bei parallelen
Widerständen)
Ein elektrischer Schwingkreis besteht aus einer Parallelschaltung von Spule und Kondensator
o Nach einer Energiezufuhr entsteht in ihm eine gedämpfte elektromagnetische
Schwingung
o Exkurs: Die Induktivität einer Spule hängt ausschließlich ab von: Windungszahl,
Spulenlänge, Querschnittsfläche der Spule, Kernmaterial
o Der geladene Kondensator entlädt sich, dabei wird in der Spule eine Selbstinduktion
ausgelöst, die Stromstärke steigt langsam an, während die Spannung sinkt. Das
entstandene Magnetfeld führt dazu, dass der Strom weiterfließt und den Kondensator
wieder auflädt. Stromstärke und Magnetfeld nehmen dabei wieder ab. Der selbe
Vorgang wiederholt sich nun in umgekehrter Richtung.
o Eine Dämpfung erfährt diese Schwingung durch den Leiterwiderstand.
o
o
x
1.
+
-
2.
3.
-
+
4.
5.
+
-
6.
U,I
0
T/4
T/2
3/4T
T
I(t)
U(t)
5/4 T
Wellenlehre
x
x
x
Schall entsteht durch sich im Raum dreidimensional ausbreitende Wellen
Man unterscheidet zwischen Transversalwellen (Schwingungen, z.B.
Wasseroberflächenwelle) und Longitudinalwellen (Verdichtungsstößen, z.B. Schallwelle)
o In einer Transversalschwingung steht der Schwingungsvektor der einzelnen
Oszillatoren senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle
o In einer Longitudinalschwingung steht der Schwingungsvektor der einzelnen
Oszillatoren parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle
Eine lineare fortschreitende Welle entsteht, wenn einem Oszillator (Schwingungsüberträger)
einer Oszillatorenkette periodisch Energie zugeführt wird und die miteinander gekoppelten
gleichartigen Oszillatoren nacheinander gleichartige Schwingungen ausführen. Die einzelnen
Schwingungszustände schreiten längs der Kette mit konstanter Geschwindigkeit fort.
10
11
x
Transversalwellen (mechanische Wellen, Lichtwellen, elektrische Wellen) setzen sich häufig
aus mehreren Schwingungen zusammen, deren Elongationen von der Längsachse der Welle
aus gesehen alle in unterschiedlichen Richtungen senkrecht auf dieser stehen:
o
x
Eine Welle bestehend aus zwei
Schwingungsvektoren (in y- und z-Richtung)
o
Filtert man die welle mit einem Polarisator, und läßt nur Schwingungen auf einer
Achse senkrecht zur Längsachse zu, spricht man von Polarisation. Es gibt nur Aufund Abschwingungen. Eine solche Welle ist linear polarisiert. Bei Longitudinalwellen
ist Polarisation nicht möglich.
o
x
nicht
polarisiert
polarisiert
Polarisator
Strömungsmechanik
x
x
x
Die Strömungsmechanik beschäftigt sich mit dem Verhalten von Fluiden (Gase,
Flüssigkeiten) im Ruhezustand und in Bewegung, sowie mit Geräten, die mit Fluiden arbeiten
(z.B. Flugzeuge)
o Die Fluidstatik/Hydrostatik beschäftigt sich mit Fluiden im Ruhezustand
o Die Fluiddynamik/Hydrodynamik beschäftigt sich mit Fluiden bei geringer
Geschwindigkeit, bei der sie noch inkompressibel sind
o Die Aerodynamik/Gasdynamik beschäftigt sich mit Fluiden bei hoher
Geschwindigkeit, bei der Kompressionen auftreten
Fluidstatik:
o Pascal’sches Gesetz: Druck, der auf eine eingeschlossene Flüssigkeitsmenge ausgeübt
wird, wirkt in alle Richtungen auf das die Flüssigkeit einschließende Gefäß, sowie in
der Flüssigkeit befindliche Objekte
o Archimedisches Prinzip: Die Auftriebskraft die ein eingetauchter Körper erfährt, ist so
groß wie die Gewichtskraft auf die vom Körper verdrängte Flüssigkeit
o Man kann die auf einen Körper wirkenden Auftriebskräfte in einem Punkt, dem
Auftriebsmittelpunkt/Auftriebsschwerpunkt zusammengefaßt verstehen; er ist der
Massenschwerpunkt des verdrängten Fluids
o Der Auftriebsmittelpunkt eines Körpers liegt direkt über seinem Schwerpunkt; je
größer der Abstand zwischen beiden Punkten ist, desto stabiler ist der Körper
Fluiddynamik:
o Die Gesetze der Dynamik und Mechanik gelten generell auch für Flüssigkeiten, aber
nur unter Nichtbeachtung von Zähigkeit, Viskosität (=Reibung) und Kompressibilität
ƒ Bernoulli’sches Gesetz: die gesamte Energie in einer inkompressiblen und
reibungsfreien Strömung ist konstant; je schneller die Strömung eines Fluids
ist, desto geringer wird ihr Druck und umgekehrt
o Beachtet man die Viskosität einer inkompressiblen Strömung, müssen die NavierStokes’schen Gleichungen angewendet werden, die sehr kompliziert sind
ƒ Fließt ein Fluid durch ein Rohr, geht durch Reibung Energie verloren, was
längs des Rohres zu einem Druckverlust führt
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ƒ
x
Bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit ist der Druckverlust der
Geschwindigkeit proportional
ƒ Bei hoher Geschwindigkeit ist der Druckverlust ungefähr dem Quadrat der
Strömungsgeschwindigkeit proportional
ƒ Der Grund ist, daß bei niedriger Geschwindigkeit eine laminare Strömung
herrscht (Fluidteilchen bewegen sich nur in Strömungsrichtung), während bei
hoher Geschwindigkeit turbulente Strömung entsteht (Fluidteichen werden
beschleunigt, gebremst und verwirbelt)
ƒ Der Parameter, der den Umschlag von laminar zu turbulent in einer Strömung
beschreibt, ist die Reynoldszahl
ƒ Das Verhalten turbulenter Strömung läßt sich nur schwer berechnen, so daß
man heute noch auf Messungen angewiesen ist (Windkanal)
o Grenzschicht:
ƒ Innerhalb einer Strömung gibt es Reibungseffekte nur in den Bereichen nahe
der angeströmten Oberfläche
ƒ Außerhalb der Grenzschicht können Reibungseffekte außer Acht gelassen
werden
ƒ Dieses Modell vereinfacht die Berechnung einer Strömung erheblich
o Kompressible Strömungen:
ƒ In ihnen verändert sich die Gasdichte bei starken Änderungen von
Geschwindigkeit und Druck; außerdem verändert sich die Temperatur
ƒ Von erheblichen Einfluß ist die Schallgeschwindigkeit des Fluids; bei Gasen
ist sie proportional der Wurzel der absoluten Temperatur
ƒ Strömungsgeschwindigkeit < Schallgeschwindigkeit: Druckwellen können
sich im ganzen Fluid ausbreiten Æ Strömung kann sich an einem Objekt
ausrichten
ƒ Strömungsgeschwindigkeit > Schallgeschwindigkeit: Druckwellen können die
Strömung nicht stromaufwärts beeinflussen
Aerodynamik:
o Der Luftwiderstand kann durch Stromlinienförmigkeit eines Körpers minimiert
werden; bei nicht vorhandener Stromlinienförmigkeit wächst der Widerstand mit dem
Quadrat der Geschwindigkeit
o Im Reiseflug dient der Treibwerksschub eines Flugzeuges lediglich der Überwindung
des Luftwiderstandes
o
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